JP2020510885A - 広角可変式中性濃度フィルタ - Google Patents

Abstract

３つ（またはそれ以上）の偏光子の装置は、コントラストの均一性と色の均一性の両方を有する広角可変式中性濃度（ＶＮＤ）フィルタを実証するために使用される。一実施形態によれば、外側の偏光子は、非垂直光線によって経験される幾何学偏光歪みに関連する透過不均一性を補償する手段として、固定された中心偏光子に対して有効に逆回転する。減衰の絞り数が多くなる（たとえば、絞り１０、またはＯＤ３）場合、特に、無彩色補償装置は、垂直入射透過に対して角度均一性を可能にする。フィルタは、機械的または電気機械的調整を可能にするカメラまたは計測のために有用である。

Description

［関連出願に関する相互参照］
本出願は、２０１７年３月８日に出願された米国仮特許出願第６２／４６８，８０３号の利益を主張し、その内容の全ては、参照により本明細書に組み込まれる。

特に動画および静止画カメラに対して、可変減衰で広範囲なフィルタアタッチメントを有するという長年の要望がある。たとえば、可変式中性濃度（ＶＮＤ）フィルタは、シーンの輝度から独立して露光時間の選択を可能にすることができ、写真家に貴重な自由度を与える。ＶＮＤフィルタは、透過率を変化させる手段として、偏光を使用する。偏光子の吸収軸が平行であるとき、透過率が最大である。１つの偏光子が、他方に対して回転すると（図１参照）、透過率が低下し、吸収軸が交差する際に、理論的には透過率ゼロである。問題は、この業界において、ＶＮＤフィルタが、実際にその有用性を制限する空間／角度を有する人工物を導入する傾向にあることである。これらの人工物のため、ＶＮＤフィルタがカメラレンズの前に配置される際に、コントラストまたは色むらによって広角撮影および／または高濃度とすることができないかもしれない。

理想的な交差偏光子の透過率の不均一性は、専ら、幾何学配置による吸収軸の回転の結果である。非垂直入射光線に対して、最悪の場合の入射面方位角は、偏光子の吸収軸に対して±４５°である。ＶＮＤフィルタの関係において、最も問題な場合は、より高い濃度の選択に対応する、交差した偏光子の近くで起こる。たとえば、絞り１０は、軸間８８．２°の角度に相当し、垂直入射において、０．１％の透過率（光学濃度＝３）を与える。図２は、入射角（ＡＯＩ）に対するＯＤ３設定における２つの偏光子ＶＮＤの最小および最大透過率を示している。±４５°の極端なＡＯＩにおいて、極座標透過プロットで、最高透過率は、１．９％であり、最低の透過率は、ゼロである。したがって、最悪の場合の角度で、最も高い透過率は、目標透過率より１９倍明るく、最低の透過率は、入射光の完全な遮断を示し、非常に高いコントラストを有する人工物が作製される。図２は、最小透過率が２４°のＡＯＩによって、ゼロまで下がることを示しており、より高い全てのＡＯＩに関しては、ゼロの透過率を有する１つまたは複数の角度が存在する。画像撮影の関係では、この人工物は、画像に重ねられた高コントラストのクロスパターンの形態をとる。

多くの場合、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）偏光フィルムもまた、セルローストリアセテート（ＴＡＣ）保護フィルムで被覆されている。これはさらに、ＰＶＡフィルム間に約１００ｎｍのネガティブＣプレートの位相差（つまり、基板に垂直な光学軸を有する、ネガティブの一軸性リターダ）を導入することによって、問題を悪化させる。Ｃプレートは、０／９０°の方位角に影響を与えずに、±４５°の方位角に最も大きな影響を与える。したがって、クロスパターンのコントラストは、さらに増加する。ＴＡＣはまた、ベイリンググレアに寄与する付加的なヘイズをもたらす可能性がある。ベイリンググレアもまた、空気間隔を空けた複数の要素、および、光を散乱して画像のコントラストを低下させる機能／キャリア基板を介する現行製品において増加する。ＴＡＣ保護フィルムに加えて、これは、低スペックの厚ガラス、補償フィルム、１／４波長リターダフィルム（たとえば、ポリカーボネート）、接着剤、およびコーティングによって生成されるヘイズを含む。反射防止（ＡＲ）コーティングは、垂直入射でのいくつかの光を反射し、反射率および色ずれは、典型的には、非垂直入射を増加させる。レンズフレアと同様に、特に広角撮影で使用する場合に、ゴーストが生成される。

より高品質のＶＮＤ製品は、幾何学回転現象に対抗するために、「補償フィルム」を使用する傾向がある。補償器は、入射角および方位角に固有の偏波回転を有効に適用することにより、大幅にコントラストの均一性を向上させることができる。これは、劇的にコントラストの変動を軽減することができるが、補償器は、また、色ずれをもたらす傾向がある。これは、補償器が波長依存性（つまり、位相差分散）を有する一軸性／二軸性リターダフィルムで構成される傾向があるためである。このように、特定の入射角／方位角に対する（ポアンカレ球において観察されるような）偏光変換は、波長の関数としての輪郭をトレースする。偏光を分析した結果は、再度、画像人工物を導入することができる彩色の透過関数である。人工物は、典型的には、方位角依存性の色合いによって、高コントラストクロスから低コントラストクロスに変換される。

補償フィルムは、厚み方向の位相差が１／４波長である吸収軸に沿って配向される単層で二軸性の半波リターダを含む。±４５°の方位角において、光軸の投影は、入射角と共に増大するように、偏光子の吸収軸からずれる。半波リターダは、遅相軸の周りに入力偏光を反射し、それによって、分析する偏光子の吸収軸に偏光を揃える。これは、漏れを非常に低減するが、色ずれをもたらす。

間にニ軸性の半波長リターダを有する一対の偏光子は、８８．２°（絞り１０）の角度を用いて、補償のない場合をはるかに超えて改善され、最大４５°入射で０．４３対数単位の透過の範囲を与える。しかし、４５°の方位角で、フィルタは、（典型的には、ポリカーボネートに対して約５２０ｎｍで）半波長位相差でのスペクトル最小値を有する。これは、特に、４５°／１３５°の方位角で、明らかにマゼンタの色合いを生じさせる。この入射角での理想的なスペクトルが平坦な入力光に対する色ずれは、Δ_μ’ν’＝０．０８３である。０／９０°で、出力光は、一般的な無彩色である。

別の補償器は、ポジティブＣプレート（基板に垂直な光学軸を有するポジティブの一軸性）と組み合わせた二軸性フィルムである。たとえば、１５０ｎｍのポジティブＣプレートリターダと組み合わされる１１５ｎｍの面内位相差および１０３．５ｎｍの厚み方向の位相差を有する二軸性延伸フィルムは、別の実施形態である。二軸性半波長リターダと同様に、これは、幾何学歪みの補正器である。そして同様に、リターダは、方位角依存性色ずれの原因となる分散を有する。この解決のための最悪の場合のコントラスト変化は、ゼロ複屈折分散を仮定すると、絞り１０で０．８４対数単位であり、色ずれは、等エネルギー白色に対してΔ_μ’ν’＝０．１４７である。この解決策は、前者よりもより方位角依存性の色変化を示し、任意の２点間の最大偏差は、Δ_μ’ν’＝０．１９６である。ＶＮＤフィルタの別の形態は、電気光学的であって、濃度を変化させるために液晶デバイスを使用する。いくつかの用途（たとえば、映像におけるフィールド内の濃度変調）において、迅速な調整および可動部がないことは、有利である。角度に対して感応しない濃度／色および十分な範囲の濃度調整を有するＬＣ ＶＮＤフィルタを生産するために、近年著しい進歩がなされてきた。しかしながら、４５°の半円錐角にわたって、および濃度調整の全範囲にわたって、均一な透過および色を維持する能力は、ＬＣデバイスには、非常に困難である。このことは、光がより平行化される光路中の位置にあるそれらを望ましくない場合もある状況にせざるを得ないかもしれない。また、ＤＣバランスド駆動電圧の一定の用途に対する必要性が望ましくない電力消費を招来する、電気光学装置（たとえば、無人航空機、ＵＡＶ、またはドローン）に対しては、不利になる場合がある。濃度を変化させる際に、電気機械的な調整は、消費電力を必要とするだけである。

回転により再構成可能な光学機械的構造が、本明細書に開示される。この構造は、その面法線の周りの回転に感応する第１光学機能層と、その面法線の周りの回転に感応する第２光学機能層と；第１光学機能層と第２光学機能層との間に形成されたキャビティと、第２層に対する第１層の回転を可能にする機械的構造と、第２層に対する第１層の回転中にそのまま留まる、層間のキャビティを充填する透明な光学潤滑剤とを含む。潤滑剤の屈折率は、第１光学機能層と第２光学機能層の屈折率に実質的に同等である。

第１光学的機能層および第２光学的機能層は、直線偏光子であってもよい。１つまたは複数の第１光学機能層および第２光学機能層は、リターダであってもよい。第１光学機能層および第２光学機能層は、感圧性接着剤を用いて外部の基板に積層されてもよい。

また、入力偏光を有する入力光を受容する可変式中性濃度フィルタが、開示されている。このフィルタは、第１偏光子と、複数波の面内位相差を伴うリターデーションプレートと、第２偏光子とを備える。入力偏光は、リターデーションプレートを用いて実質的に偏光解消される。位相差は、１０波長よりも大きい。リターダは、水晶、サファイア、またはニオブ酸リチウムのうちの１つである。位相差は、偏光入力スペクトル強度分布を有する入力光からの色ずれが弁別閾未満となるように十分大きい。

また、第１偏光子と、第２偏光子と、入射角に対して感応する近赤外線反射フィルタとを備える可変式中性濃度フィルタが、開示されている。偏光子は、近赤外に延びて非可視光帯域（don't-care band）を生成するスペクトル範囲を有する偏光度を有する。入射角に対して感応しない近赤外線反射フィルタは、非可視光帯域の長波長端から約１０００ｎｍまでの垂直入射での光を実質的に反射する。近赤外線反射フィルタは、垂直入射から最大カットオフ入射角度までの知覚不能な色ずれを有する可視光を通過させる。

また、第１偏光子と、第２偏光板と、入射角に対して実質的に感応しない近赤外線反射フィルタとを備える可変式中性濃度フィルタが、開示されている。近赤外線反射フィルタは、可視透過基板上にコーティングされた銀および誘電体層の薄層の繰返しの積層を含む。

また、第１偏光子と、第２偏光子と、第１偏光子および第２偏光子を回転させる機械的構造を備える可変式中性濃度フィルタが、開示されている。第１アクチュエータは、第１（入力）偏光子および第２（出力）偏光子の同時回転を可能にし、第２アクチュエータは、第１偏光子の向きを変えることなく、第２偏光子の回転を可能にする。

また、第１偏光子と、第２偏光子と、第３偏光子とを備える可変式中性濃度フィルタ（ＶＮＤ）が、開示されている。第１偏光子および第２偏光子は、第１偏光子の吸収軸と第２偏光子の吸収軸との間に形成される第１の角度によって決定される透過率を有する、第１減衰ステージを形成する。第２偏光子および第３偏光子は、第２の吸収軸と第３偏光子の吸収軸との間に形成される第２の角度によって決定される透過率を有する、第２減衰ステージを形成する。合成透過率は、第１ステージの透過率と第２ステージの透過率との積である。第１の角度および第２の角度の設定は、非垂直入射光線に対して、垂直入射の合成透過率を維持するように選択される。

第１偏光子と第２偏光子との間の角度は、＋θであってもよく、第２偏光子と第３偏光子との間の角度は、−θであってもよい。第３偏光子の追加は、最大濃度設定における角度分解能要件を低減させてもよい。透過率の不均一性は、３５°を超える入射角における偏光の減衰の絞り１０で、０．５対数単位未満であってもよい。角度設定が、濃度設定および入射角の全範囲にわたって、透過される輝度や色むらを最小にするように選択されてもよい。第１／第２偏光子と第２／第３偏光子との間に形成されたキャビティは、光学潤滑剤で充填されてもよい。第１偏光子、第２偏光子、および第３偏光子は、感圧性接着剤を用いて透明基板に積層されてもよい。光学潤滑剤は、ＡＲコーティングを排除し、偏光子の平坦度要件を低減させてよい。光学潤滑剤は、別段に、許容可能な透過波前面歪みを得るために、必要な基板を排除してもよい。

機械的調整構造が、さらに含まれていてもよく、第１アクチュエータは、第１（入力）偏光子、第２（中間）偏光子、および第３（出力）偏光子の同時回転を可能にし、第２アクチュエータは、第１偏光子に対する第３偏光子の回転を可能にし、第３アクチュエータは、第２偏光子角を第３偏光子角に追従させる。ラックアンドピニオン装置が、第３偏光子の半分の速度で、第２偏光子を回転させてもよい。戻り止めが、ユーザの感覚によって減衰の絞り数を提供してもよい。マーキングが、減衰の絞り数の視覚的表示を提供してもよい。

電気機械的装置が、合成透過率の量を選択してもよい。ユーザは、カメラフィードまたは輝度センサのいずれかからの輝度情報に基づいて、濃度を遠隔調整してもよい。最適な輝度レベルが、事前選択されてもよく、モータおよび輝度センサが、濃度を自動選択する閉ループ系を形成してもよい。ＶＮＤフィルタは、無人航空機搭載カメラに取り付けられてもよい。ＶＮＤフィルタは、ドローン搭載カメラに取り付けられてもよい。

従来技術の２偏光子可変式中性濃度フィルタを示す。 ＯＤ３（０．１％の透過率）に設定された２偏光子ＶＮＤフィルタを示す。これは、入射角に対する極性透過関数において生じる最小および最大透過率値を示す。 本発明の広視野３偏光子可変式中性濃度フィルタを示す。 ＯＤ３（０．１％の透過率）に設定された、本発明の３偏光子ＶＮＤフィルタを示し、これは、入射角に対する極性透過関数において生じる最小値と最大透過値を示す。 本発明の広視野４偏光子可変式中性濃度フィルタを示す。 第２、第３および第４偏光子可変式中性濃度フィルタの比較であって、ｘ軸は、減衰の絞り数（理想的な偏光子および偏光入力を仮定）であり、ｙ軸は、対数単位での山／谷のコントラスト不均一性である。 全ての光学層を示す３偏光子ＶＮＤフィルタの断面図である。 全ての光学層を示す２偏光子ＶＮＤフィルタの断面図である。 ３つのリングと機械的調整機構を示す、３偏光子の組み立てられた構成を示す。 ３偏光子ＶＮＤフィルタの機械的な拡大図を示す。

本明細書に開示される実施形態は、様々な修正および代替の形態が可能であって、特定の実施形態が、図面に例として示されており、本明細書に詳細に記載されている。しかしながら、開示される特定の形態に本発明を限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明は、特許請求の範囲によって定義される本発明の実施形態の全ての修正、均等物、および代替的な実施形態を包含するものであることが理解されるべきである。本開示は、図面を参照しながら説明され、同様の参照番号は、実質的に同様の要素を示す。

今日、写真撮影家および映像撮影家は、固定式中性濃度フィルタの設定間で、高コントラストで色消しの交差人工物、または、低コントラストで有色の交差人工物を有するＶＮＤフィルタを選択することができる。このように、特に写真および動画の撮影において、真に中立で、広受光角と減衰範囲にわたって、コントラストや色の高い均一性を維持する可変式中性濃度フィルタに対する長年の要望がある。

通常の幾何学的透過人工物を対で有する３つ以上の直線偏光子の配置が本明細書に記載されている。しかし、透過率変動が無彩色であるので、偏光子のみの機構は、色ずれがないという利点を有する。本明細書に提示する解決策は、偏光子が協調的に作用するように偏光子を配置することであり、合成透過率関数は、入射角と方位角による最小限の透過率変動を示す。

特定の所望の透過率レベルのために、垂直入射要件を満たす３偏光子構成の相対的な偏光子の配向の連続体がある。しかしながら、いくつかは、ほとんど利点を持たず、いくつかは、透過率の不均一性を有する。実施形態によれば、角度配置は、各濃度設定での幾何学回転による透過率変動を補償する。３偏光子設計の場合には、本質的に、第１／第２偏光子および第２／第３の偏光子に関連する２つの透過関数が存在する。それぞれは、幾何学歪みを有しているが、最適化された設計は、一組の方位角依存の透過極大と他の透過極小との間の対応を最大化する。これは、方位角による透過率変動を平滑化し、大幅に透過率変動を抑制する傾向がある。分散要素が何ら存在しないので、色むらはもたらされない。

この設計は、減衰の絞り数が増加するにつれて、ますます効果的になる。明らかに、すべての偏光子が平行であるということは、絞りゼロの透過に対する唯一の解決策である。ここでは、何らの幾何学歪みもなく、そのため、補償の必要はない。開示された補償機構の有効性は、その必要性がより高濃度において増大するにつれて、増大するので、フィルタは、最大減衰（例えば、絞り１０）を有したとしても、良好な性能を維持する。

実用的な用途では、機械的または電気機械的ハードウェアは、減衰の各絞りに対する偏光子の角度の最適な配置を実現するために使用される。写真用途では、入力（第１）偏光子が、ユーザが選択した向きにロックされることが必要である場合もあるので、第２および第３の偏光子は、その角度に対して配向される。その後の光学濃度調整では、第３偏光子は、調整することができ、第２偏光子の角度は、それに追従する。この構成は、二段階調整と呼ばれ、同時係属中の出願（可変式色エンハンスメント（Tunable Color Enhancement）、ＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０１５０４１号、その全体の内容が参照により本明細書に組み込まれる）に記載されている。

この手法は、４つ以上の偏光子設計に拡張することができる。３〜４の偏光子にする場合には、追加の自由度が導入され、コントラストの均一性をさらに向上させることができる。

また、広角および高濃度域を有するＶＮＤフィルタを展開するために必要な多くの設計上の考慮事項が記載されている。さらに、構造において単純であり、光学的に一体化され、したがって、ベイリンググレアおよびゴースト反射を最小限に抑える設計が、記載されている。

以下の２偏光子ＶＮＤの詳細な分析は、（ａ）問題を捉えて基本性能を与え、（ｂ）２つの偏光子の構成が、本発明の技術の構成要素（building blocks）であるので、有益である。図１は、従来技術のＶＮＤフィルタ２０を示す。一連の縦線によって示された吸収軸を有する分析偏光子２２は、ユーザによって選択される入力光の量を失わせる。垂直の矢印として示されている光軸を有する付加的な補償器２４は、非垂直の幾何学的効果によって誘発される明るさの不均一性を改善することができる。偏光子２６は、ユーザが選択した吸収軸の向きαを有する。垂直入射では、この単純な構成は非常にうまく行うことができる。しかし、このＶＮＤフィルタが光錐を受光しなければならない際には、垂直入射透過は、一般的には維持されない。

コントラストの不均一性、特にほぼ交差する偏光子のコントラストの不均一性は、専ら、幾何学配置による吸収軸の回転の結果である。入射面（ＰＯＩ）が偏光子の吸収軸に対して±４５°のとき、非垂直入射の光線に対して、最大の幾何学回転が生じる。一対の偏光子がある際に、ＰＯＩが偏光子の吸収軸を二等分するとき、偏光子の間の最大の幾何学回転が生じる。極端な場合、吸収軸が一緒に回転するように見え、透過を増加させ、このＰＯＩに対して９０°で、離れて回転して見え、透過を減少させる。このように、非垂直な幾何学回転は、方位角に強く依存する濃度変化を生じる。濃度設定が低い場合、小さな幾何学回転は、均一性に対して、比較的にほとんど影響を与えない。しかしながら、濃度が高い場合、特定の方位角における小さな幾何学回転は、透過をゼロに近づける場合があり、許容できない人工物を生じる。逆に、反対への小さな幾何学回転は、設定濃度値を超える透過を増大させる場合がある。（理論的に無限の濃度に対して）軸が交差する際に、濃度は、幾何学回転がない０／９０°の方位角に沿って保持される。一般的には、漏れは、±４５°の方位角に沿って最大に増大する。この人工物は、「ドレデッドＸ」（dreaded-X）として、写真撮影家および映像撮影家によってしばしば表現される。

理想的な直線偏光子対（つまり、吸収軸に沿ったゼロ透過、および吸収軸に対して直交する全透過（unity transmission））に対する透過関数は、次式で与えられる。

ここで、α（θ、φ）は、偏光子吸収軸間の投影角度である。これは、垂直入射の選択された角度差と幾何学回転による増分回転の両方を含み、αによって選択された角度差は、［数２］および［数３］である。

座標系は、ＰＯＩに対する特定の偏光の向きと関連しているので、方位角は、式が異なる。角度は、垂直入射での所望の光学濃度に設定される。たとえば、減衰量の絞り１０は、偏光子間でα＝８８．２°の角度に相当し、０．１％の透過率（光学濃度＝３対数単位）を与える。

コントラストむらは、対数単位、画像を見たときに観察されるコントラストの知覚に関する計量の観点から、本明細書に記載されている。特に困難な状況では、透過不均一性は、スペクトル的に平坦であり、均一なランバート光源／散乱体のＶＮＤフィルタを通して撮影された画像に相当する。垂直入射での特定の減衰量の設定は、ｌｏｇ［Ｔ₀］で表される。一般的に、円筒極座標における透過率は、ｌｏｇ［Ｔ₀（θ，φ）］によって与えられ、ここで、θは、空気中における垂直に対して入射角であり、φは方位角である。分析を簡単にするために、極端なＡＯＩ、θ_maxに対して機能することが期待される減衰器は、透過率最大値ｌｏｇ［Ｔ_max］および透過最小値ｌｏｇ［Ｔ_min］を制限する。最大値および最小値は、最大入射角で存在する傾向があるが、これらは、減少した入射角である場合がある。

対数単位は、視覚系の応答と一致するように、ＶＮＤフィルタ人工物に関連する「イメージ」を表わす。最大透過率と中心目標透過率との間の未加工コントラスト（raw contrast）は、Ｔ_max／Ｔ₀であるか、または、対数単位でｌｏｇ［Ｔ_max］−ｌｏｇ［Ｔ₀］である。同様に、中心目標透過率と最小透過率との間のコントラストは、Ｔ₀／Ｔ_minあるか、または、ｌｏｇ［Ｔ₀］−ｌｏｇ［Ｔ_min］である。対数単位での山／谷のコントラストの不均一性は、これらの和であるか、または［数４］として与えられる。

２偏光子ＶＮＤフィルタで容易に生じ得る状況である、最小透過率がゼロに近づくとき、上記の式は、明らかに不安定になる。この極端な状況に達する前に、不均一性に対して許容できない閾値は、実際に発生する。

ベレマン（Berreman）４×４マトリクスモデルは、透過極座標プロットを生成するために用いられた。高濃度での幾何学回転の感度を示すために、最小および最大透過率値が、ＯＤ３の濃度に設定された２偏光子ＶＮＤフィルタの極座標プロットから抽出された。図２は、最小／最大値が、僅か数度の後に、０．１％の設定点から外れ始めることを示している。２２°のＡＯＩにより、極座標プロットは、透過率ゼロを含み、すべてのより大きなＡＯＩに対して持続する。最大透過率値は、１５°のＡＯＩで設定点の２倍であり、これを超えるＡＯＩと共に増加する。

このモデルを用いた極座標プロットは、また、２偏光子の従来技術のフィルタに対して、空気中での２０°の最大非垂直入射角に対する減衰の各絞りで生成された。これらのプロットから、最大および最小透過率値が、角度空間に配置され、その後、対数単位で山／谷の不均一性に変換された。偏光子は、理想的であり、入力スペクトル強度分布が平坦であって、コントラストは明所である。なお、計算／監視中に、著しい色ずれは、これらのプロットでは何時も観察されていない。

表１は、基準の２偏光子の場合であり、（一般性を失うことなく）偏光子の絶対角度、極端な最大および最小透過率および減衰の各絞りの対数単位における透過率の不均一性を示している。なお、絞り９と絞り１０との間の遷移は、偏光子回転の０．７°のみであって、ユーザの観点から、機械的要素の角度分解能におけて高精度を必要とする。より大きいＡＯＩでは、最小透過率がゼロに近づき、対数単位における不均一性が、より高い濃度の設定で不安定になるため、表は、２０°の最大ＡＯＩに基づいている。実際には、１対数単位を超える不均一性は、許容されることはありそうにない。表１は、偏光入力に基づいており、入力が非偏光と仮定すると、すべての入力に対して絞り１のオフセットがなされる。

上記は、２偏光子ＶＮＤが、合理的で許容可能な任意のコントラストむらを与える、大きい受光角および広範な濃度範囲を同時に適用し得ないことを立証している。短い焦点距離のレンズを用いる際に、非常に限られたダイナミックレンジが利用可能であるか、または、非常に長い焦点距離のレンズを用いて、大きなダイナミックレンジが実現可能である。人工物が、突然、焦点距離と濃度の特定の組み合わせで現れず、望ましくない人工物が、許容できない閾値よりはるかに下回る濃度で存在することに留意することも重要である。

（３偏光子ＶＮＤ）
１つまたは複数の追加の偏光子は、幾何学回転が従来技術のＶＮＤフィルタに与える影響を大幅に排除するために、相対角度の特定の設定と共に、用いることができる。３偏光子が用いられる場合、透過（率）関数は、［数５］となり、ここで、α₁、α₂、α₃は、第１／第２、および第２／第３偏光子の吸収軸の間の幾何学依存性の角度である。

ここで、ＶＮＤフィルタ透過関数は、２つの減衰ステージの積によって決定され、角度組合せ１の連続体は、垂直入射で所望の光学濃度を生成する。例外は、減衰の絞りゼロであり、単一の解決策が可能である（つまり、すべての偏光子が平行）。それにもかかわらず、第３偏光子によって導入される自由度は、相補的に各ステージのコントラスト極座標プロットを別々に配向させることにおいて、ある程度の柔軟性を可能にする。

一実施形態によれば、第２偏光子は、効果的に固定され、外側偏光子は、所望の光学濃度を生成するために逆回転する。垂直入射では、これは、単一の変数、または、［数６］まで減少し、垂直入射透過（率）は、減衰の絞りの関数として偏光子の角度を決定するために用いられる［数７］になる。

図３は、３偏光子ＶＮＤフィルタ３０を示す。この構成では、中心偏光子３２は、固定された垂直の方位角を有し、外側偏光子３４および３６は、角度αおよび−αでそれぞれ逆回転し、所望の減衰を生成する。

従来技術の分析と同様に、濃度がＯＤ３に設定される場合、モデルが、３偏光子ＶＮＤフィルタの不均一性を評価するために用いられた。図４は、４５°の極端なＡＯＩでは、最大透過率が０．１％から０．１６％に増加し、最小透過率が０．０４％にまで低下することを示している。前者は、８°のＡＯＩでの２偏光子において、後者は、１４°のＡＯＩにおいて、起こる。

表２は、表１と同じ形式で、３偏光子性能を示している。大きい濃度およびＡＯＩにおいて均一性が高いままであるので、３偏光子ＶＮＤは、４５°の極端なＡＯＩで評価した。なお、任意の偏光子は、角度が固定され、他の２つの偏光子は適切な相対量だけ回転し、同一の透過関数とすることができる。不均一性は、上記のように、絞り数とともに大きくなるが、これは、２偏光子の場合よりもはるかに低い率である。絞り１０での最大の不均一性の範囲は、０．５５６対数単位である。低空間周波数関数を表すと仮定すると、画像上に重ねたときに、この極端な場合でさえ、これは、視覚的に問題ではないであろうことは議論の余地がある。たとえば、中程度の利得を有するシネマスクリーンは、輝度において、中央部から隅への同様の低下（fall-off）を示し、画像を見るときに、視覚系は、知覚しない。

（４偏光子ＶＮＤ）
また、角度の均一性の改善は、第４偏光子を導入し、他の自由度を与えることによって可能である。これは、［数８］の透過関数になる。

一実施形態では、［数９］の垂直入射の透過関数により、［数１０］である垂直入射の角度配置（α、α’、−α’、−α）を用いて、変数の数を４つから２つに減らすために、対称性を再度導入することができる。

特定の第１偏光子の角度に対して、垂直入射での光学濃度の要件を満たす第２偏光子の角度の範囲を生成することができる。各設定に対して、どの対が最低の角度の不均一性となるかを決定するために、モデルが用いられた。なお、減衰の絞り数が多くなるにつれて、モデルが最適状態を決定することが、より困難になる。しかしながら、最適状態に近いと、低感度があることが見出された。表３は、４偏光子の場合の性能を示す。

絞り１０の際に、４５°入射角での最大の不均一性は、３偏光子の場合の０．５６対数単位に対して、０．２２対数単位まで低減される。４偏光子の場合は、このような低コントラストの不均一性を有するので、追加の減衰の絞りを含めた。モデルは絞り１２の際の性能を正確に予測することができなかったが、１２以上の絞りの際に適切に機能することができたであろうということは、妥当である。なお、減衰の絞り９から１０への遷移がさらに低減された角度分解能要件を有する。偏光子１および４の角度調整ステップは、３偏光子設計に対する角度の２倍である４度に増加させるとともに、偏光子２および３は、±３７．０°に留めることができる。

図５は、本発明の４偏光子ＶＮＤフィルタ４０の具体的な構成を示している。外側の偏光子４２および４４は、それぞれ、垂直方向に対して角度α、−αで逆回転する。内側の偏光子４６と４８は、それぞれ、垂直方向に対して角度α’、−α’で逆回転する。垂直入射角での所望の光学濃度、並びに最適な非垂直透過の均一性の両方を発生させるために、これらの角度間の関係を与えるルックアップテーブルを生成することができる。

図６は、評価された３つのＶＮＤフィルタ設計の透過不均一性を比較している。従来技術の２偏光子ＶＮＤは、先に述べた理由により、２０°の低減されたＡＯＩで評価した。専ら、最大ＡＯＩが２０°に対して４５°であるという事実によって、３偏光子および４偏光子設計は、低濃度でより高い不均一性を有する。しかしながら、分岐点（cross-over）は、絞り６であり、より高濃度に対し、３偏光子の場合は、２偏光子の場合よりも性能が優れている。４偏光子の場合の分岐点（cross-over）は、２偏光子の場合よりも設計がはるかに良好に行われる約絞り３である。本発明のＶＮＤフィルタ設計は、２０°のＡＯＩで評価されたので、その性能は、任意の減衰レベルに対して、従来技術よりも良いであろう（それらが同じである絞りゼロを除く）。

（材料および光学的考慮）
以下は、最適に行う本発明に係る、真に大きな濃度範囲と広い受光角を可能にする、ＶＮＤフィルタを作製するための追加の設計／製造上の考慮事項である。ＶＮＤフィルタの実用的な光学性能は、材料の選択、製造プロセス、および空気中の面の数によって制限されることがある。

今日、利用可能な高品質ＶＮＤフィルタ製品の多くは、ガラス間にポリマーを積層し、続いて両面研磨、続いて広帯域反射防止（ＢＢＡＲ）コーティングをすることによって作製される。この一連のプロセスは、労働集約的で高価であり、一般的に厚く／重い部品になる。この解決策は、透過波前面歪みを改善することができるが、それは、このように他の性能基準（performance metrics）を犠牲であろう。

通常、Ｎ個の偏光子を含むＶＮＤフィルタは、（Ｎ−１）個のエアキャビティおよび２Ｎ個の反射面を有する。２つの外部表面は、不可避であって、入力面での反射が通過量（throughput）に影響するが、原則的には、迷光に寄与しない。出力（センサ側）面は、入力に向けて光を戻すので、迷光に寄与することがある。これは、全角度域にわたって反射率を最小にする広帯域反射防止（ＢＢＡＲ）コーティングを受け入れるべきである。これは、物理蒸着（ＰＶＤ）コーティング、または、たとえばモスアイエンボス加工であってもよい。空気で間隔を空けたＶＮＤフィルタによって作成されたキャビティは、大きな入射角でのＡＲコーティング不良との組み合わせで、近接した表面との間の結合、ならびにキャビティ面が、迷光が増大する際に残渣／残骸を蓄積する傾向により、特に問題となることがある。

キャビティの両面がＢＢＡＲコーティングを受け入れる場合、反射率は、極端な入射角で２％までに大きくなることがあるが、垂直入射で０．２５％（明所）まで小さくすることができる。これは、ほぼレンズフレアのように、キャビティ表面間の多重反射を生じることがある。本発明の一態様によれば、すべての内部キャビティは、回転再構成するための要件に一意に適応する屈折率整合材料（index-matching material）を用いて光学的に除去される。これは、カメラレンズとは異なり、フィルタが屈折力を含まないため、フィルタのための実用的な解決策である。一定の量の屈折率整合潤滑剤を含むポケットの適切な設計は、ボイドを導入することなく、１つの光学部品の他の部品に対する事実上無制限の回転再構成を可能にする。また、キャビティを充填することは、環境から残渣または残骸を導入することを不可能にする。好ましい光学潤滑剤は、体積が安定し（揮発分なし）、全ての温度条件下で空洞を留める傾向を有さず、表面に整合する屈折率を有し、低い散乱（たとえば、大きさが波長のかなりの割合である充填剤による）を有する。シリコーン潤滑剤は、これらの要件のすべてに対処するために、魅力的である。

入手可能なシリコーン潤滑剤の粘度、屈折率（１．４７〜１．４９）、および透明度は、十分に要件を満たすことができる。１．４７の屈折率を有するシリコーン潤滑剤および１．５２の屈折率を有するガラスを用いると、垂直入射（実質的に他の全ての入射角）での反射率は、０．０２８パーセントであり、高品質ＢＢＡＲコーティングよりも１０倍小さい。これらの材料の粘度は、広い温度範囲にわたって、ほとんど変化しない傾向がある。その粘度は、材料が流れず、また空洞を留める傾向を示さないということに十分である。回転によるＶＮＤの再構成は、剪断抵抗を生成する。粘度およびキャビティ間隔（典型的には２００〜５００ミクロン）を適切に選択することにより、粘性抵抗を制御することができる。製品は、調整中に一定量の抵抗を有するべきであり、所望のユーザの感覚を生成するために、必要に応じて調整され得る。

３偏光子ＶＮＤフィルタの両方のエアキャビティは、シリコーン潤滑剤を用いて除去される。内部の層が、良好に屈折率整合する程度まで、その構造は、外表面の局所的な平行度が最も重要である一個の光学的厚板（single optical slab）のように見える。このような状況下では、外表面の平坦度と平行度は非常に重要であり、調整中に維持される必要がある。これは、研磨仕様、機械的位置合わせ、およびコーティングにより生じる応力誘起歪みなどの組合わされた影響が含まれる。同様の、および逆向きの力がカメラ側の表面に存在しない限り、入力面へのコーティングによって導入される屈折力は、小さいレンズ効果を生成することができる。代替的に、ガラスの厚さは、応力の影響を最小限にするために大きくすることができ、または、コーティングは、応力を調整するために、ガラスの裏側に適用することができる。

光学キャビティを充填する利点の１つは、キャビティ表面の局所的な平坦度に対する感度を大きく減少させることができるということである。偏光フィルムは、典型的には、ガラス間を屈折率整合光学接着剤で接合することによって、カメラフィルタ内で取扱われる不規則な表面を有する。従来の２偏光子ＶＮＤフィルタでは、これは、その構造に付加的なガラス／厚さを追加し、典型的には、処理ステップは、サンドイッチ構造の外側表面が局部的に平行であることを保証するために、処理ステップを追加する。サンドイッチ構造を通じて許容される透過波前面歪み（ＴＷＤ）を提供することは、通常、各要素の両面研磨を必要とすることがある。また、続いて、迷光を低減するために、すべての表面上にＢＢＡＲコーティングを必要とすることがある。これはすべて、高い製造コストに寄与する。空気で間隔を空けた構成における第３偏光子の付加は、コストおよび迷光の問題を悪化させるだけである。

屈折率整合潤滑剤でキャビティを充填することは、原則として、ガラス間に偏光膜を埋設することと同じことを達成する。しかしながら、低減された嵩高さ／量により低コストで、空気で間隔を空けたキャビティの問題を排除して行うことができる。本発明の一態様によれば、偏光子フィルムは、ディスプレイ産業において一般的な感圧性接着剤（ＰＳＡ）を用いて、図７に示されるように、ガラス表面に片面積層することができる。各偏光フィルムの一面は、その後、ＶＮＤ組立て後に、シリコーン潤滑剤と密接に接触する。潤滑剤の屈折率が、通常、ガラス間にフィルムを取り付けるために使用される光学接着剤と同程度に、光学的結果は、実質的に同一である。

（たとえば）デジタル一眼レフカメラで使用する場合、カメラに入射する偏光を無偏光化することが必要である。これは、図７に示されるように、偏光子の吸収軸に対して４５°で遅軸に配向された（広帯域）１／４波長リターダを効果的に用いて行うことができる。ＱＷリターダは、好ましくは、第３偏光子の積層体の一部であって、光学的影響のないカメラに対して回転することができる。

図７は、本発明の３偏光子ＶＮＤフィルタアセンブリ（５０）の光学層の断面図を示している。近赤外線（ＮＩＲ）反射コーティング（５２）は、ガラス要素（５４）の入力側に加えられる。入力偏光子（５６）は、ＰＳＡ接着剤（５８）によりガラス（５４）に接合されている。広帯域反射防止コーティング（６０）は、ガラス要素（６２）の出力（センサ側）表面に加えられる。１／４波長リターダ（６４）は、ＰＳＡ接着剤（６６）を用いてガラス（６２）に接合され、センサ側偏光子（６８）は、ＰＳＡ接着剤（７０）によりＱＷに接合されている。中間偏光子（７２）は、ＰＳＡ接着剤（７６）により中間ガラス（７４）に接合されている。偏光子（５６）の表面およびガラス（７４）の表面によって形成されるキャビティは、シリコーン潤滑剤（７８）で充填されている。偏光子（７２）および偏光子（６８）の表面によって形成されるキャビティには、シリコーン潤滑剤（８０）で充填されている。偏光子がガラス間に積層されることが望まれる場合には、一実施形態では、最小のガラス厚さで許容されるＴＷＤを達成するプロセスを用いる。偏光子は、好ましくは、ＰＶＡのみであって、ＴＡ層を有していない。（２５ミクロンの）ＰＶＡフィルムは、無色透明な曇りのない接着剤を用いてガラス層間を結合することができる。一実施形態では、約１００〜３００ミクロンの非常に薄いガラス（たとえば、ショット（Schott）社製Ｄ２６３）が、偏光子を取り付けるために用いられる。一製造方法によれば、全体に平坦ではなくてもよいが、低い反射むら（つまり、良好な局所平坦度）を有する、コーティングされていない一対の薄い可撓性ガラスシートが、偏光子の外側の基板に用いられる。具体的には、ガラスが、無理に基準面に適合することによって除去することができるのに十分に柔軟性があれば、むらは、許容される。薄いガラスは、光路長を最小化し、より軽量であり、曇りおよび複屈折を低くすることができる。無色透明な接着剤が分注され、ＰＶＡ偏光子は、たとえば、ガラスマイクロシート間にピンチロールされるか、またはプレスされて、接着剤が分配され、未硬化積層体が形成される。未硬化積層体は、気泡はないが、積層プロセスの接着剤厚さの不均一性により、弱い透過波前面歪みを有することがある。次に、互いに非常に平行に取り付けられている一対の研磨平坦面（たとえばガラス）をプレスし、その後、サンドイッチ形状に均一な圧力を加える。これは、結合線の太さを選択し、薄いガラスの外面をプレス板に適合させる。接着剤は、その後、圧力下で硬化され（たとえば、ＵＶ硬化）、外面の平行度を固定することができる。均一性が除去された圧力で維持することができる程度に、他の硬化方法（たとえば、時間／熱硬化）を用いることができる。代替的に、接着剤を硬化するために、真空引き技術を用いることができる。また、ＰＳＡなどのリフロー接着剤と同様の結果を達成するために、加熱プレスを使用することができる。完成部品は、０．５ｍｍ厚未満であってもよく、その後、コアソーイング、ウォータージェットなどを用いてサンドイッチ構造から切断することができる。

また、本明細書に教示される技術の態様は、図８に示されるように、２偏光子ＶＮＤフィルタの性能を向上させるために用いることができる。２偏光子ＶＮＤフィルタ（２００）は、ＮＩＲ反射コーティング（２０２）を有する入力水晶リターダ基板（２０１）を有している。入力偏光子（２０３）は、ＰＳＡ（２０４）により、水晶リターダ（２０１）の裏面に積層され、光軸は、吸収軸に対して４５°である。第２ガラス基板（２０５）は、ＢＢＡＲコーティング（２０６）されている。１／４波長リターダ（２０７）は、ＰＳＡにより（２０５）に積層され、第２偏光子（２０９）は、ＰＳＡ（２１０）によりＱＷリターダ（２０７）に積層されている。偏光子１と偏光子２との間に形成されるキャビティは、潤滑剤（２１１）で充填されている。

特定の製品環境の場合では、「全プラスチック」ＶＮＤフィルタを構築することが、実現可能で、魅力的であるかもしれない。たとえば、コストおよび重さの問題が、最も重要であってもよい。加えて、その用途は、さらに、ガラスの硬度／剛性が必要ではない小口径を必要としてもよい。携帯電話およびドローン搭載カメラは、かかる解決策を与えてもよい。十分な剛性がある高品質な光学的プラスチック基板を製造することができ（たとえば、セルキャストアクリル）、不規則性は、平坦な基準基板上に鋳造することにより最小化することができる。また、プラスチック基板は、低い不規則性を付与するために、研磨することができる。ガラス上のプラスチックの利点は、低重量、低コスト、および低コスト製造プロセスの実行可能性を含んでいる。これは、フィルムから積層体への大規模な変換、マザーシート規模でのコーティングの適用、および完成部品のマザーシートからの型抜き／レーザ／ＣＮＣ切断を含む。

（スペクトルの考慮）
カメラは、可視光外の光（７００〜１０００ｎｍ）に対するＣＭＯＳセンサの感度による内蔵の近赤外（ＮＩＲ）遮断フィルタを有する。これは、色素フィルタ、多層ダイクロイックＮＩＲ反射板、吸収ガラス、またはこれらの組み合わせの形態をとることができる。多くの場合、カメラの品質は、ＮＩＲフィルタの品質と連関する。多くの場合、これらのフィルタは、浅い遷移勾配（shallow transition slope）による長波長の赤色の遮断により、シアン色に見える。これは、単に、全体的な色バランスアルゴリズムに対して、他の入力パラメータとなるので、通常問題にならない。内蔵の補助ＮＩＲ遮断体を有する購買後のＶＮＤフィルタの場合、これは任意ではないであろう。つまり、色補正が必要とされないように、ＶＮＤフィルタが、中性色（neutral-gray）に見えることが必要であるかもしれない。また、ＡＯＩ依存の色ずれが、透過中にあまり発生しないことがおそらく必要である。

カメラに内蔵されたＮＩＲ遮断体は、限られたダイナミックレンジを有することに留意することが重要である。ＮＩＲ遮断体は、可視光透過率に対して重要ではない程度に、近赤外線透過率を減らすが、ＮＩＲは完全に消滅されることはない。ＶＮＤフィルタのダイナミックレンジが増加するにつれて、利用可能な可視光の量は、ＮＩＲ漏れに匹敵するようになることがある。根本的な原因は、利用可能なシート状偏光子は、典型的には８００ｎｍを超えて非常に効率的に透過するＮＩＲでは、等方性になる傾向があることにある。実際には、高濃度（たとえばＯＤ３）に設定されたＶＮＤフィルタは、ＮＩＲロングパスフィルタのように作用し、内蔵されたＮＩＲ遮断体のダイナミックレンジに非現実的な要求をする。結果として、典型的には、画像のダイナミックレンジの損失および色ずれにつながる。このように、高ダイナミックレンジＶＮＤフィルタは、内蔵された補助ＮＩＲブロッキングフィルタを必要とすることがある。

保守的な見方では、ＶＮＤの集められたＮＩＲ透過率は、最高濃度設定での可視光透過率と同等であるべきである。また、垂直入射でのＮＩＲ遮断体からの知覚可能な色ずれがなく、極端な入射角（たとえば４５°）での付加的な色ずれがないことが要求されるであろう。これらの要件は、典型的なフィルタ技術に対しては、非常に困難であることもある。たとえば、吸収ガラスおよび色素フィルタは、比較的浅い遷移勾配を有しているので、それらは、シアン色に見えるか、または白の場合、ＮＩＲブロッキングへの寄与が不十分であるかのいずれかの傾向がある。ダイクロイックコーティングは急な遷移勾配（steep transition slope）を有することができるが、それらは、青方偏移（blue-shift）および／または大きな入射角で副ローブ（side-lobe）を有する傾向がある。これは、（すべての入射角にわたる）中性色透過と十分なＮＩＲ遮断との両方を有するＶＮＤフィルタを有することを困難にする。

本発明の一態様は、ＮＩＲ漏れに対処するスペクトルフィルタリングであって、高ダイナミックレンジを有する有用なＶＮＤフィルタを可能にする。４００ｎｍから１０００ｎｍで良好に機能する偏光子（たとえば、ワイヤーグリッド偏光子）が利用可能な場合、任意の濃度設定が、シリコンが感度を有するすべての波長に適用されるので、付属ＮＩＲ遮断体は必要ないであろう。しかし、典型的なディスプレイ偏光子（display polarizer）は、７００ｎｍ以上で偏光度を失い始める。本発明の一態様は、ＮＩＲ遮断体に対して「非可視光帯域（don't-care band）」を生成する拡張スペクトル範囲を有するシート状の偏光子を使用することである。たとえば、サンリッツ（Sanritz）社製ＵＨＬＣ５６１０偏光子は、７４０ｎｍの波長まで良好に機能するため、この波長よりも短い追加のＮＩＲ遮断体は必要ない。一方、ＮＩＲフィルタのスペクトルは、約６７０ｎｍまでの可視光に食い込み、依然として中性色に見えることがある。したがって、非可視光帯域は、約７０ｎｍ幅（６７０ｎｍ〜７４０ｎｍ）である。したがって、垂直入射で７４０ｎｍの光を遮断し、６７０ｎｍで極端な入射角において約９０％の透過率を有するダイクロイックフィルタは、目的を達成することができる。本発明は、ダイクロイックフィルタを使用するために、この非可視光帯域の手法を含めることができ、そうでなければ、色ずれにより広角ＶＮＤに対して問題となる。このダイクロイックは、それを前端（front-end）で除き、迷光の問題を低減するために、好ましくは、図７に示されるように、ＶＮＤの入力面にコーティングされる。

ＮＩＲの問題に対する本発明の別のアプローチは、ＡＯＩに本質的に感応せず、また、急な遷移勾配を有するフィルタを使用することである。たとえば、薄膜の金属層を含む多層コーティングは、日常的に、低Ｅ（low-E）建築用ガラスに用いられている。これらのフィルタは、日光からＮＩＲを除くために用いられ、高度な製品は、急勾配の遷移スロープを生成する繰り返し積層体を用いている。「銀３層系（triple-silver）」低Ｅコーティングは、角度に対して不感応なスペクトルプロファイル、良好なＮＩＲ遮断、および高い可視光効率の利点を有する。ＮＩＲ光を有効に除くとともに、白色の透過関数を維持するために、ＶＮＤフィルタにおける銀３層系の設計のようなコーティングの使用は、本発明の一実施形態を表わす。

最適でない偏光子材料を用いる際に、ＶＮＤフィルタに対する色ずれの導入も生じることがある。（偏光子を用いた）理想的なフィルタは、以下の（１）一対の偏光子が平行な吸収軸を有する際の、高く中性の透過率、および（２）一対の偏光子が交差する吸収軸を有する際の、低く（＞１，０００：１）、中性の透過率を生成する。ディスプレイ産業は、かなり良好に、これらの要件を満たすヨウ素系偏光子を開発した。低濃度の設定では、吸収軸に垂直な透過スペクトルが、最も重要となる傾向がある。たとえば３偏光子の場合、吸収軸に垂直な内部透過関数は、最も低い濃度設定の色を与えるために３乗される。濃度設定が高くなるほど、吸収軸に沿った色漏れが問題となり得る。後者が重要であるが中性である場合、それは、相対角度の小さな変化を用いた３偏光子構成で克服することができる。しかし、それが有彩色である場合には、濃度設定を増加させると共に、色ずれが増大する。本発明の一態様によれば、上記の基準に従う偏光子が選択される。

低濃度での中性透過を可能にする「白色」偏光子があるが、他の優先度の高い要求は、単一の製品においてが困難であることがあり（たとえば、高透過および中性漏れ）、レードオフを生成する。しかしながら、合理的な範囲内で、ＶＮＤフィルタからの均一で一貫した色相ずれは、光源を推定する典型的アルゴリズムを用いて自動補正することができる。または、後処理において望まれるように、ユーザは色バランスを選択することができる。しかしながら、ＶＮＤフィルタが中立性を維持することが望まれる場合、全体的な透過スペクトルを補償するフィルタを追加することができる。ＶＮＤフィルタは、製品が完全に中性であるように、ＮＩＲ遮断体および実質的に逆スペクトルで設計されたフィルタと共に測定することができる。

ＶＮＤフィルタへの入力が実質的に偏光され、１／４波長（ＱＷ）リターダが入力を「無偏光化」するために用いられる場合に、色ずれも導入されることがある。線形入力偏光子の潜在的な問題は、不均一性が、入力偏光の空間依存性によって生成され得ることである。たとえば、天体偏光の空間的依存性は、偏光子によって分析される場合、広角撮影において輝度むらを生成することがある。このように、第１偏光子より前で、入力偏光を無偏光化することが好ましいであろう。これは、原則的には、１／４波長（ＱＷ）リターダを用いて行うことができる。しかしながら、ほとんどのＱＷリターダは、無彩色でも入射角非依存性でもない。また、これは、特に広角撮影のために、色／輝度むらを生成することがある。一構成では、ＱＷリターダは省略され、入力ガラス基板は、無機リターデーションプレートで置き換えることができる。後者は、入力偏光子に対して±４５°で整列された面内に光学軸を有する無機結晶を用いて実現することができる。材料は、（たとえば）水晶、サファイア、またはニオブ酸リチウムを含むことができる。位相差は、偏光入力の楕円率を調節することによって生じるスペクトル振動が入力スペクトル強度分布（ＳＰＤ）における任意の形態を超えるように十分に大きい（１０波長）。つまり、この大きなリターダによって生じるフィルトレーションは、入力色を保持し、非垂直入射角による位相差におけるいずれのずれも微々たるものである。また、ポリマーＱＷリターダは、画像の歪みを導入することがあるのに対して、無機リターダは、優れたＴＷＤを有することができる。本発明の一態様は、ＶＮＤフィルタにおいて、ＱＷリターダの代替として、大きなリターダの使用することである。

（機械的設計、組立、および調整に関する考慮）
一実施形態によれば、ＶＮＤフィルタは、係属中の出願（可変式色エンハンスメント（Tunable Color Enhancement）と題された、ＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０１５０４１号、その全体の内容は参照により本明細書に組み込まれる）に記載されたように、２段階の配向プロセスを可能にする。ステップ１において、３つの偏光子は、一定の光学濃度での偏光入力シーン要素（たとえば、グレア減衰／艶消し）の所望の透過レベルを選択するために、同時に回転する。この調整を最も正確に行うために、偏光子２および３が、ステップ１中に初期設定で減衰の絞りゼロになることが好ましいであろう。外側の偏光子は、その後、その向きでロックされ、他の組の偏光子の回転が続く。第３偏光子は最低の角度感度を有するため、ユーザは、その方向を選択するのが好ましいことがある。その後、第２偏光子の向きは、ギア機構などを介して、第３偏光子に追従される。

図９は、組立てられたＶＮＤ（１００）の例を、ハウジングを省略して、示している。また、図から省略されているのは、カメラ側ＱＷ／偏光リング上のタブに係合する回転リングである。このリングは、オペレータにより使用される濃度選択要素である。（ＢＢＡＲコーティングおよび積層を有する）カメラ側のガラスは、カメラ側リング（１０２）に接合されている。このリングは、偏光子が、入力偏光に対して２θで回転することを可能にする歯のラックを含んでいる。（偏光子の積層体を有する）中間ガラスは、側面に取り付けられたピニオンギア（１０６）ポストを有する中間リング（１０４）に接合されている。カメラ側リングの回転は、入力偏光子に対して角度（θ）で中間リングを回転させるピニオンギアを回転させる。（ＮＩＲ反射コーティングおよび偏光子の積層体を有する）入力ガラスは、入力リング（１０８）に接合される。また、このリングは、ピニオンギアが全範囲の濃度設定を実行することを可能にする歯のラックを含む。一対のピン（１１０）は、光学アセンブリが完了した後、ハウジング内にアセンブリを配向させて取り付けるために用いられる。この具体的な構成は、前述の二段階の調整方法を含む。つまり、前述の３リングアセンブリユニットは、カメラレンズへの取り付けのためのねじ部を有するフランジ（１１２）に対して回転することができる。フランジ（１１２）の縁は、光学アセンブリを囲み、ハウジング（図示せず）に固定するために用いられる。フランジ（１１２）は、さらに、濃度設定を変更するとともに、回転を防止するためにクラッチ板（１１６）上の隆起部と係合する一連の隆起部を含む。クラッチ板上のタブ（１１８）は、ハウジングを通じて突出する。ユーザは、タブを押すことができ、フランジに対する光学アセンブリの回転抵抗を実質的に取り除く。これは、濃度の設定を変更することなく、入力リング（１０８）に取り付けられた入力偏光子の配向を選択することを可能にする。

図１０は、図９に描かれたＶＮＤフィルタの全ての要素を示す拡大図（１５０）である。光学アセンブリは、２つのキャビティ間においてシリコーン潤滑剤を用いて組み立てられる、カメラ側リング／フィルタ（１５２）と、ピニオンを有する中間リング／フィルタ（１５４）と、入力リング／フィルタ（１５６）とを含む。アセンブリは、その後、ハウジング（１５８）内に挿入される。ハウジングは、減衰の個別の絞りに対応する角度を認識する機構（１６０）を含む。カメラ側フィルタリングのタブ（１６２）は、これらの機構に係合し、ユーザが感覚によって減衰の絞り数を認識することを可能にする戻り止め（detent）を生成する。

ハウジング（１５８）は、さらに、スロット（１６４）を含み、カメラ側フィルタリングのタブは、スロット中を延伸し、カメラ側リング（１５２）の回転を可能にする。光学アセンブリが挿入された後、回転リング（１６６）は、ハウジング上を滑る。回転リングは、リング（１５２）のタブと係合する内部スロットを有する。回転リングが取り付けられた後、クラッチ板（１６８）が挿入される。クラッチ板は、ユーザがカメラに対して光学アセンブリを回転させることができるように、ハウジング（１５８）のスロット（１７２）を通るタブ（１７０）を含む。その後、ねじ付きフランジ（１７４）がハウジング（１５８）に装着（たとえば、圧入）される。クラッチ板のタブが押されたときに、ハウジングは、フランジ上で自由に回転することができる。

要約すると、図９および図１０の構成によるＶＮＤフィルタを組み立てる順序は、以下のとおりとすることができる。
１．偏光子とＰＳＡ積層偏光子を（３枚の）ガラス板に合わせて打ち抜く。
２．リング上に表示機能（registration features）に対応する偏光子の向きの光学配向を有するリングに偏光子／ガラスを接合する。
３．潤滑剤を分注し、３つのリングを同時に押圧し、中央リングのピニオンギアに対して外側リングのギアラックを合わせる。
４．３リング光学アセンブリをハウジングに挿入し、スロットを通してタブを押す。
５．ハウジング上で回転リングをスライドさせる。
６．クラッチ板を挿入する。
７．フランジをハウジングに取り付ける。

可変式中性濃度フィルタの利点の一つは、入力輝度が変化すると、撮像画像を最適化させるために、濃度についてリアルタイムでアナログ調整をなし得るということである。明らかに、この機能は、固定式中性濃度フィルタによって可能ではなく、ユーザは、濃度レベルを選択する際に、最も推測する必要がある。また、ＶＮＤフィルタは、リアルタイムの入力輝度に基づいて濃度を自動調整する閉ループ系を可能にすることができる。動画撮影の場合、これは、非最適積分時間による「ゼリー効果」の影響を最小限に抑えるための特に強力な機能である。５０：５０のデューティ比（または「１８０°シャッター角」）は、より映画風を作成するために、この効果を最小化する周知の設定である。

ＶＮＤフィルタの調整は、手動または電気機械的に行うことができる。最適濃度レベルを決定する入力センサは、人間の目または電気光学センサの何らかの形態とすることができる。電気光学センサは、集められた輝度、またはフィールドの中心における輝度を測定する前方センサ（forward-looking sensor）とすることができ、または、入力シーンの異なるゾーンの輝度を測定するマルチピクセルセンサとすることができる。電気光学センサは、補助センサとすることができ、または、イメージセンサ自体であってもよい。最終的に、入力された輝度を感知することによって抽出された情報は、ＶＮＤフィルタの濃度を駆動する単一の出力に変換される。これは、入力の測定およびＶＮＤアクチュエータの動作に関連する時定数によってのみ制限され、その場（on-the-fly）で変更することができる。アクチュエータは、ズームレンズなどを調整するために用いられるモータとすることができる。

（その他の構成および用途）
本発明は、４偏光子に限定されるものではない。コントラストむらのさらなる低減は、付加的な自由度を追加することによって実現することができる。また、複数偏光子である本発明は、他の（たとえば、リターダ系の）補償器と組み合わせることができる。複数層のリターダスタックが、無彩色で幾何学形状を補正するように設計することができる程度に、さらなる性能上の利点を実現することができる。３つ、または、それ以上の偏光子設計の他の角度関係が可能である。与えられた例は、それらが本発明の範囲を限定するものではないが、３つ以上の偏光子の使用が角度依存の不均一性を大幅に減少させることができることを立証している。

本発明で説明されたＶＮＤフィルタは、角度に依らず安定した（angle-stable）透過および色性能により、広範な視野にわたって入力光の調光を必要とする任意のシステム性能を向上させるために用いることができる。分野は、消費者用、商業用、産業用、医療用、および軍事用の用途を含む。本発明は、光レベルの広角なアナログ制御に一般的に有用である。偏光子技術の適切な調整により、本思想は、他のスペクトル帯域（たとえば、赤外線またはＵＶ）に適用することができる。本発明は、シャッター、時間変調、またはオンデマンド透過選択に用いることができる。画像撮影または任意のセンサに対して、ＶＮＤフィルタは、光路中の様々な位置に配置することができる。これは、たとえば、カメラレンズの外側、カメラ用レンズ（たとえば、開口絞りや画像中継）内、またはセンサが存在する画面に／その近傍を含む。

本発明は、透過レベルの遠隔および自動選択を可能にする。無人航空機またはドローンでは、たとえば、本発明は、センサが、人間の介入なしに、最適な輝度レベルを受信することを可能にする。また、これは、カメラフィードを観察するユーザによる濃度の遠隔変更が可能とする。

また、本発明は、たとえば、高ダイナミックレンジの動画撮影において必要とされ得るような、周期的な変調濃度を可能にする。これは、撮影をＶＮＤフィルタの変調と同期させることによって行うことができる。変調は、本発明に記載される角度配置を維持しながら迅速に回転する偏光子を用いて達成することができる。

本発明は、固定式２偏光子ＶＮＤフィルタが現行で用いる任意の用途に適用することができる。これは、たとえば、特定の画像の外観を生成する、長時間で露光する静止画撮影を含む。濃度調整は、シーンの輝度とは別に、シャッター時間を選択することができる。これは、シーンで生じる経時変化に対する積分時間の制御を可能にする。たとえば、海水のランダムな動きを時間的に平均化することができ、そうでない場合、短い露光で撮影される空間構造を平滑化する。ＶＮＤフィルタは、開口を絞ることなく、これを可能にするか、または、開口がすでに絞り込まれている際に、それが可能である。

均一性のさらなる改善を必要とする場合には、画像処理技術を用いることができる。原則的には、二重写しされた（たとえば、十字）空間パターンの情報は、それが後処理で実質的に除去されることを可能にする。これは、色ずれに対する明度エラーに関し、比較的わかりやすい。色ずれは、しばしば「光源の推定」を伴うので、補正が曖昧になることがある。既知の視野に対して、画像輝度チャネルを（既知の）ＶＮＤ透過極座標プロットの逆数で乗算することができる。

本発明の実施形態は、図面および前述の説明において、詳細に説明してきたが、そのような説明および記載は例示として考えられるべきであって、特徴を限定するものではない。たとえば、上述した特定の実施形態は、他の実施形態と組み合わされてもよく、および／または他の方法で構成されてもよい（たとえば、プロセスの要素は他の手順で実行されてもよい）。したがって、一例の実施形態およびその変形例のみが、図示および説明されていると理解されるべきである。

Claims (26)

1. 回転により再構成可能な光学機械的構造であって、
   その面法線の周りの回転に感応する第１光学機能層と、
   その面法線の周りの回転に感応する第２光学機能層と、
   前記第１光学機能層と前記第２光学機能層との間に形成されたキャビティと、
   第２層に対する第１層の回転を可能にする機械的構造と、
   第２層に対する第１層の回転中にそのまま留まる、層間の前記キャビティを充填する透明な光学潤滑剤と
   を備え、
   前記潤滑剤の屈折率が、前記第１光学機能層と前記第２光学機能層の屈折率に実質的に同等である、回転により再構成可能な光学機械的構造。
2. 前記第１光学機能層および前記第２光学機能層は、直線偏光子である、請求項１記載の構造。
3. １つまたは複数の前記第１光学機能層および前記第２光学機能層は、リターダである、請求項１記載の構造。
4. 前記第１光学機能層および前記第２光学機能層は、感圧性接着剤を用いて外部基板に積層される、請求項１記載の構造。
5. 入力偏光を有する入力光を受容する可変式中性濃度フィルタであって、
   第１偏光子と、
   複数波の面内位相差を伴うリターデーションプレートと、
   第２偏光子
   とを備え、
   前記入力偏光は、前記リターデーションプレートを用いて実質的に偏光解消され、
   前記位相差は、１０波長よりも大きく、
   前記リターダは、水晶、サファイア、またはニオブ酸リチウムのうちの１つであり、
   前記位相差は、偏光入力スペクトル強度分布を有する入力光からの色ずれが弁別閾未満となるように十分大きい、可変式中性濃度フィルタ。
6. 可変式中性濃度フィルタであって、
   第１偏光子と、
   第２偏光子と、
   入射角に対して感応する近赤外線反射フィルタと
   を備え、
   前記偏光子は、近赤外に延びて非可視光帯域を生成するスペクトル範囲を有する偏光度を有し、
   入射角に対して感応する近赤外線反射フィルタは、非可視光帯域の長波長端から約１０００ｎｍまでの垂直入射での光を実質的に反射し、
   前記近赤外線反射フィルタは、垂直入射から最大カットオフ入射角までの知覚不能な色ずれを有する可視光を通過させる、可変式中性濃度フィルタ。
7. 可変式中性濃度フィルタであって、
   第１偏光板と、
   第２偏光板と、
   入射角に対して実質的に感応しない近赤外線反射フィルタと
   を備え、
   前記近赤外線反射フィルタは、可視光透過基板上にコーティングされた銀および誘電体層の薄層の繰返しの積層を含む、可変式中性濃度フィルタ。
8. 可変式中性濃度フィルタであって、
   第１偏光子と、
   第２偏光子と、
   前記第１偏光子および前記第２偏光子を回転させる機械的構造と
   を備え、
   第１アクチュエータは、第１（入力）偏光子および第２（出力）偏光子の同時回転を可能にし、第２アクチュエータは、第１偏光子の向きを変えることなく、第２偏光子の回転を可能にする、可変式中性濃度フィルタ。
9. 可変式中性濃度フィルタ（ＶＮＤ）であって、
   第１偏光子と、
   第２偏光子と、
   第３偏光子と
   を備え、
   前記第１偏光子および前記第２偏光子は、前記第１偏光子の吸収軸と前記第２偏光子の吸収軸との間に形成される第１の角度によって決定される透過率を有する、第１減衰ステージを形成し、
   前記第２偏光子および前記第３偏光子は、前記第２偏光子の吸収軸と前記第３偏光子の吸収軸との間に形成される第２の角度によって決定される透過率を有する、第２減衰ステージを形成し、
   合成透過率は、前記第１ステージの透過率と前記第２ステージの透過率との積であり、
   第１の角度および第２の角度の設定は、非垂直入射光線に対して、垂直入射の合成透過率を維持するように選択される、可変式中性濃度フィルタ。
10. 第１偏光子と第２偏光子との間の角度は、＋θであり、第２偏光子と第３偏光子との間の角度は、−θである、請求項９記載のＶＮＤフィルタ。
11. 第３偏光子の追加は、最大濃度設定における角度分解能要件を低減させる、請求項９記載のＶＮＤフィルタ。
12. 透過率の不均一性は、３５°を超える入射角における偏光の減衰の絞り１０で、０．５対数単位未満である、請求項９記載のＶＮＤフィルタ。
13. 角度設定が、濃度設定および入射角の全範囲にわたって、透過される輝度および色むらを最小にするように選択される、請求項９記載のＶＮＤフィルタ。
14. 第１／第２偏光子と第２／第３偏光子との間に形成されたキャビティは、光学潤滑剤で充填される、請求項９記載のＶＮＤフィルタ。
15. 前記第１偏光子、前記第２偏光子、および前記第３偏光子は、感圧性接着剤を用いて透明基板に積層される、請求項１４記載のＶＮＤフィルタ。
16. 前記光学潤滑剤は、ＡＲコーティングを排除し、偏光子の平坦度要件を低減させる、請求項１４記載のＶＮＤフィルタ。
17. 前記光学潤滑剤は、別段に、許容可能な透過波前面歪みを得るために必要な基板を排除する、請求項１４記載のＶＮＤフィルタ。
18. 機械的調整構造を含むＶＮＤフィルタであって、第１アクチュエータは、第１（入力）偏光子、第２（中間）偏光子、および第３（出力）偏光子の同時回転を可能にし、第２アクチュエータは、第１偏光子に対する第３偏光子の回転を可能にし、第３アクチュエータは、第２偏光子の角度を第３偏光子の角度に追従させる、請求項９記載のＶＮＤフィルタ。
19. ラックアンドピニオン装置が、前記第３偏光子の半分の速度で、第２偏光子を回転させる、請求項１８記載のＶＮＤフィルタ。
20. 戻り止めが、ユーザの感覚によって減衰の絞り数を提供する、請求項１８記載のＶＮＤフィルタ。
21. マーキングが、減衰の絞り数の視覚的表示を提供する、請求項１８記載のＶＮＤフィルタ。
22. 電気機械的装置が、合成透過率の量を選択する、請求項９記載のＶＮＤフィルタ。
23. ユーザが、カメラフィードまたは輝度センサのいずれかからの輝度情報に基づいて、濃度を遠隔調整する、請求項９記載のＶＮＤフィルタ。
24. 最適な輝度レベルが、事前選択され、モータおよび輝度センサが、濃度を自動選択する閉ループ系を形成する、請求項９記載のＶＮＤフィルタ。
25. 前記ＶＮＤフィルタは、無人航空機搭載カメラに取り付けられている、請求項９記載のＶＮＤフィルタ。
26. 前記ＶＮＤフィルタは、ドローン搭載カメラに取り付けられている、請求項９記載のＶＮＤフィルタ。

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